Jak vypadá práce v laboratoři, kde se zkoumají vysoce radioaktivní materiály?

Vyhořelé jaderné palivo zůstává nebezpečné ještě dlouho poté, co opustí reaktor. Co se s ním děje během desetiletí skladování? Jak odolává působení vody a mechanickému namáhání? A co se stane, když se radioaktivní materiály uvolněné při jaderné havárii dostanou do životního prostředí? Odpovědi pomáhá hledat specializovaná laboratoř Společného výzkumného střediska Evropské komise v německém Karlsruhe. V jejích 24 stíněných pracovištích vědci zkoumají vysoce radioaktivní materiály.

Laboratoř Hot Cell Laboratory je součástí Společného výzkumného střediska Evropské komise, známého pod zkratkou JRC. Nachází se v německém Karlsruhe a zaměřuje se na bezpečnost jaderného palivového cyklu a nakládání s radioaktivními odpady. Její vybavení umožňuje přijímat, zkoumat a následně vracet vysoce radioaktivní materiály jejich vlastníkům.

Základem zařízení je 24 takzvaných horkých komor. Jde o speciálně stíněné prostory, které chrání pracovníky před ionizujícím zářením a umožňují manipulaci s materiály, jejichž přímé zkoumání by pro člověka představovalo nepřijatelné riziko.

Jednotlivé komory mají rozdílné vybavení podle druhu prováděných experimentů. V jedné z nich lze pracovat s jadernými palivovými proutky dlouhými až čtyři metry. Další jsou určené k podrobné analýze ozářeného paliva nebo k výzkumu vlastností radioaktivních odpadů při podmínkách odpovídajících dlouhodobému uložení v hlubinných úložištích.

Vyhořelé palivo se zkoumá od celého proutku až po jednotlivé atomy

Jaderné palivo se během provozu reaktoru postupně mění. Působení neutronového záření ovlivňuje jeho chemické složení, vnitřní strukturu i mechanické vlastnosti. V palivu vznikají nové radionuklidy a plyny a jeho struktura se vyvíjí v závislosti na teplotě, době provozu a intenzitě ozáření. Tyto procesy ovlivňují také chování paliva po vyjmutí z reaktoru.

Právě proto se v Karlsruhe provádějí analýzy vyhořelého jaderného paliva. Tento odborný termín označuje soubor analýz, při nichž vědci zkoumají jaderné palivo po jeho ozáření v reaktoru. Cílem je zjistit, jak se změnilo, jaké vlastnosti si zachovalo a jak se bude chovat v dalších fázích svého životního cyklu.

Výzkum kombinuje nedestruktivní a destruktivní metody. Při nedestruktivním zkoumání zůstává vzorek zachován a lze jej analyzovat bez jeho zásadního poškození. Destruktivní metody naopak počítají s odběrem materiálu, jeho rozřezáním nebo jinou úpravou, která umožní podrobnější analýzu vnitřních vlastností.

Vědci využívají například elektronovou mikroskopii, která umožňuje pozorovat strukturu materiálu ve velmi malém měřítku, nebo hmotnostní spektrometrii, jež pomáhá určovat zastoupení jednotlivých prvků a izotopů. Izotopy jsou varianty téhož chemického prvku, které mají stejný počet protonů, ale liší se počtem neutronů. Některé jsou stabilní, jiné radioaktivní a postupně se přeměňují na další atomová jádra.

Mikroskopické a spektrometrické techniky

Laboratoř využívá také například rastrovací elektronovou mikroskopii SEM-EDX, která umožňuje detailně zobrazit povrch vzorku a současně určit jeho chemické složení pomocí rentgenového záření. Transmisní elektronová mikroskopie (TEM) poskytuje ještě podrobnější pohled na vnitřní strukturu materiálu. Zařízení FIB využívá zaostřený iontový svazek k přesnému opracování vzorků a přípravě velmi tenkých řezů pro další analýzu.

Další používanou metodou je elektronová mikroanalýza EPMA, která umožňuje zjišťovat prvkové složení velmi malých oblastí materiálu. Rentgenová fluorescenční spektrometrie µ-XRF zase pomáhá určit, jaké chemické prvky vzorek obsahuje a jak jsou v něm rozmístěny. K mimořádně citlivému stanovení prvků a izotopů slouží hmotnostní spektrometrie HR-ICP-MS. Využívá plazma vytvořené z indukčně vázaného plynu a vysoké rozlišení přístroje umožňuje rozlišovat i velmi blízké hmotnostní signály. Laboratoř ji kombinuje s automatickým dávkováním kapalných vzorků.

K vybavení patří také speciální zařízení KÜFA, označované jako aparát se studeným prstem (cold finger apparatus), které slouží k experimentům s tepelnými a chemickými procesy. Radioaktivní látky vědci sledují rovněž pomocí alfa a gama spektrometrie a kapalinového scintilačního počítání. Tyto radiometrické metody umožňují identifikovat a měřit radioaktivní izotopy a určovat jejich množství ve zkoumaných vzorcích.

Analýzy dokážou odhalit změny ve struktuře paliva, přítomnost různých chemických prvků i rozložení radioaktivních izotopů. Výzkumníci tak získávají informace o chování materiálu v měřítku celého palivového proutku, jeho jednotlivých vrstev i mikroskopických oblastí. Takové poznatky pomáhají ověřovat předpoklady používané při hodnocení bezpečnosti jaderných zařízení a při plánování dalšího nakládání s palivem.

Co se děje s palivem během desetiletí skladování

Vyjmutím z reaktoru životní cyklus jaderného paliva nekončí. Vyhořelé palivo zůstává radioaktivní a produkuje zbytkové teplo. Musí proto procházet odpovídajícími etapami skladování a následného nakládání, které zahrnují také případnou přepravu a konečné uložení.

Laboratoř se přitom nezaměřuje jen na jeden druh jaderného paliva. Zkoumá konvenční palivo na bázi oxidu uraničitého (UO₂), palivo s vysokým vyhořením, směsné oxidické palivo MOX obsahující oxidy uranu a plutonia i pokročilé palivové kompozice. Do výzkumu patří také palivo pro vysokoteplotní plynem chlazené reaktory, jehož částice mají speciální ochranné vrstvy. Rozdílné složení a konstrukce těchto materiálů ovlivňují jejich chování během provozu i po vyjmutí z reaktoru.

Hodnocení integrity ochranného obalu

Jedním z úkolů laboratoře je zkoumat mechanickou odolnost palivových proutků a jejich schopnost zachovat si celistvost. Jaderné palivo tvoří keramické tablety obsahující uran, které jsou naskládány do dlouhé tenkostěnné kovové trubičky. Ta tvoří ochranný obal palivového proutku a brání úniku radioaktivních látek do chladiva, které odvádí teplo z reaktoru.

Během provozu je vystavena vysokým teplotám, intenzivnímu neutronovému záření a mechanickému namáhání. Tyto vlivy mohou postupně měnit její vlastnosti a snižovat její odolnost. Proto vědci zkoumají, jak si kovový obal zachovává pevnost a těsnost nejen během provozu reaktoru, ale také při následném skladování, manipulaci a přepravě vyhořelého paliva.

Mechanické zkoušky kovových a keramických struktur

V Karlsruhe proto vědci zkoumají, jak ozářené jaderné palivo a jeho kovový obal reagují na ohyb, nárazy a další mechanické namáhání. Sledují, zda se v kovové trubičce nebo v keramických palivových tabletách vytvářejí trhliny, zda se palivo může rozpadat na menší části a za jakých podmínek by mohlo dojít k narušení ochranného obalu. K tomu využívají několik druhů mechanických zkoušek. Při tříbodové ohybové zkoušce sledují, jak palivový proutek nebo jeho část odolává působení síly mezi dvěma podpěrami.

Provádějí také zkoušky přetlaku a tečení kovového obalu, které ověřují jeho chování při zatížení a zvýšené teplotě. Další metody zahrnují stlačování prstencových vzorků, zkoušku malým průbojníkem, měření tvrdosti pomocí nanoindentace nebo mikroskopické tahové zkoušky. Díky nim lze posoudit mechanické vlastnosti materiálu nejen v měřítku celého proutku, ale také na velmi malých vzorcích a v jednotlivých částech jeho struktury. Některé experimenty využívají také vysokorychlostní záznam, který umožňuje zachytit průběh mechanického namáhání a následné změny zkoumaného materiálu.

Výsledky jsou důležité pro posouzení, zda lze palivové soubory bezpečně skladovat, manipulovat s nimi a přepravovat je, aniž by došlo k nepřijatelnému poškození. Výzkum se zaměřuje také na to, zda bude možné palivo po dlouhé době skladování bezpečně vyjmout a předat do další etapy nakládání.

Analýza rizikových scénářů pro hlubinná úložiště

Zvláštní pozornost si zaslouží chování vyhořelého paliva při kontaktu s vodou. Právě proniknutí vody k uloženému radioaktivnímu materiálu patří mezi scénáře, které se zohledňují při hodnocení dlouhodobé bezpečnosti hlubinných úložišť.

Vědci proto provádějí experimenty, při nichž sledují, jak se mění povrch a vnitřní struktura paliva při kontaktu s vodnými roztoky. Kontrolují přitom teplotu, tlak, chemické složení roztoku i přítomnost plynů. Díky tomu mohou porovnávat chování paliva za různých podmínek a vyhodnocovat, jak rychle se jeho struktura mění a které radioaktivní látky se mohou uvolňovat do okolního prostředí.

Tomuto procesu se říká vyluhování. Označuje uvolňování složek pevného materiálu do kapaliny, která s ním přichází do styku. V případě vyhořelého jaderného paliva se sleduje například uvolňování uranu, plutonia a produktů jaderného štěpení. Právě rychlost a rozsah těchto procesů mají význam pro posouzení toho, jak by se radioaktivní látky mohly chovat v případě, že by se dlouhodobě uložené palivo dostalo do kontaktu s podzemní vodou.

Získaná data pomáhají zpřesňovat matematické modely, které popisují dlouhodobé chování jaderného paliva a předpovídají jeho vývoj za různých podmínek. Tyto modely následně využívají organizace odpovědné za nakládání s radioaktivními odpady při hodnocení bezpečnosti plánovaných úložišť.

Výzkum následků jaderných havárií pokračuje dlouho po události

Další oblastí činnosti laboratoře jsou materiály vznikající při závažných jaderných haváriích. Jejich zkoumání je důležité pro pochopení průběhu havárie, pohybu radioaktivních látek a možných dlouhodobých dopadů na životní prostředí.

Jedním z nejkomplexnějších materiálů tohoto typu je korium. Vzniká při těžkém poškození jaderného reaktoru, kdy se palivo a další materiály uvnitř zařízení zahřívají natolik, že se začnou tavit a vzájemně promíchávat. Výsledná směs může obsahovat jaderné palivo, konstrukční materiály, kovy a další složky, jejichž vlastnosti se liší podle průběhu havárie.

Po ochlazení mohou vzniknout pevné útvary s velmi složitou strukturou a nerovnoměrným chemickým složením. Jejich další chování nelze spolehlivě odvodit pouze ze znalosti původních materiálů. Záleží také na tom, jak vysokým teplotám byly vystaveny, jak se během havárie měnily chemické podmínky a jakým způsobem následně chladly.

Vědci proto analyzují chemické a mineralogické složení těchto materiálů, jejich vnitřní strukturu i změny při kontaktu s vodou. Mineralogická analýza pomáhá určit, jaké minerální fáze a pevné sloučeniny materiál obsahuje a jak se mohly vytvořit. K podrobnějšímu zkoumání struktury koria využívají také elektronovou difrakci zpětně odražených elektronů (EBSD). Tato metoda umožňuje rozlišovat jednotlivé krystalické fáze a zjišťovat jejich prostorové uspořádání. Výzkumníci současně sledují, za jakých podmínek se z těchto materiálů mohou uvolňovat radionuklidy.

Vliv chemického prostředí na korozi havárií poškozených materiálů

Experimenty zahrnují kontakt s různými druhy vody, včetně sladké vody, mořské vody a roztoků odpovídajících podmínkám, které se předpokládají v hlubinných úložištích. Vědci tak mohou porovnávat, jak rozdílné chemické prostředí ovlivňuje korozi materiálů a uvolňování radioaktivních látek. Při analýze povrchu paliva po vyluhování a při zkoumání koria využívají také Ramanovu spektroskopii. Ta umožňuje identifikovat přítomné chemické a minerální fáze podle jejich charakteristické odezvy na ozáření laserem.

Význam má rovněž výzkum radioaktivních aerosolů. Aerosoly jsou drobné pevné částice nebo kapalné kapičky rozptýlené ve vzduchu. Při jaderné havárii mohou vznikat v důsledku vysokých teplot a chemických procesů a mohou na sebe vázat radioaktivní látky. Jejich velikost, složení a chování ovlivňují, jak se šíří prostředím a kde se následně usazují.

Laserové experimenty a transportní procesy

Laboratoř rozvíjí také experimentální zařízení RADES, jehož název vychází z anglického označení pro experimentální systém zkoumající šíření radioaktivních látek. Zařízení umožňuje studovat vznik aerosolů při krátkodobém intenzivním zahřátí materiálu laserovým impulzem a zkoumat také jeho teplotu tání. Během takzvaného laserového zábleskového experimentu se materiál zahřeje velmi krátkým, intenzivním laserovým impulzem a vědci sledují, jak se při tomto procesu uvolňují a šíří částice. Taková měření pomáhají lépe porozumět tomu, jak se radioaktivní materiály mohou chovat při extrémních podmínkách.

Výsledky tohoto výzkumu podporují přípravu postupů pro zvládání závažných jaderných havárií, hodnocení možného úniku radioaktivních látek i plánování následných sanačních prací. Přispívají rovněž k vývoji metod, které umožňují poškozené radioaktivní materiály bezpečně vyzvednout, zpracovat, skladovat a nakonec uložit.

Laboratoř se zapojuje také do mezinárodních srovnávacích experimentů a programů, v nichž různé výzkumné instituce analyzují stejné materiály nebo řeší shodné odborné úlohy. Taková spolupráce umožňuje porovnávat výsledky získané různými metodami, ověřovat jejich spolehlivost a zvyšovat srovnatelnost dat využívaných při hodnocení jaderné bezpečnosti.

Společné výzkumné středisko Evropské komise poskytuje své zařízení také dalším evropským a mezinárodním partnerům. Výsledky tak mohou využívat odborné organizace zabývající se jadernou bezpečností a správou radioaktivních odpadů.